一種用應(yīng)變箍傳感器陣列進行管道泄漏監(jiān)測和定位的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于管道監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及到一種管道泄漏監(jiān)測和定位的方法，特別設(shè) 及到一種用應(yīng)變輸傳感器陣列進行管道泄漏監(jiān)測和定位的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 油氣管道在運營過程中，由于自身的損傷W及某些外力的破壞作用，不可避免的 會發(fā)生泄漏事故，而一旦發(fā)生泄漏，不僅產(chǎn)生巨大的資源浪費，而且還會對環(huán)境造成污染， 因此對管道泄漏的監(jiān)測和泄漏定位顯得尤為重要。
[0003] 當管道發(fā)生泄漏時，其泄漏部分立即有物質(zhì)損失，由此引起泄漏位置處的流體密 度減小，壓力下降，流體在泄漏點和相鄰的兩邊區(qū)域之間的壓力差導(dǎo)致流體從上下游區(qū)域 流體向泄漏區(qū)域填充，從而又引起與泄漏區(qū)相鄰的區(qū)域密度和壓力的降低，該種現(xiàn)象依次 向泄漏區(qū)上下游擴散，稱為負壓波。因此有專家學(xué)者提出一種通過負壓波進行泄漏監(jiān)測和 定位的方法，并且已經(jīng)應(yīng)用于實際工程。該種方法通過安裝在管道首末兩端的壓力傳感器 采集負壓波信號，目的是得到負壓波傳播到管道首末兩端的時間差，然后利用負壓波波速 計算出泄漏點位置。該種方法可W對管道泄漏進行實時監(jiān)測，但是泄漏定位時需要通過負 壓波波速求解泄漏點位置，而負壓波的傳播速度并非常數(shù)，它與管壁的彈性、液體的壓縮 性、管道的摩擦系數(shù)等因素有關(guān)，因此通過負壓波波速進行泄漏定位計算將導(dǎo)致泄漏定位 精度較低；而且負壓波在傳輸過程中會出現(xiàn)能量衰減，導(dǎo)致一些長輸管道受最小可檢漏率 的影響，管道首末兩端的壓力傳感器測量不到負壓波，導(dǎo)致部分泄漏工況無法檢測；另外一 旦管道首末端的兩個壓力傳感器的其中一個失效，就將無法得到負壓波傳播到管道首末兩 端的時間差，該將導(dǎo)致泄漏定位失敗，因此有必要研究一種能夠克服該些不足的管道泄漏 監(jiān)測和定位方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種通過應(yīng)變輸傳感器陣列進行管道泄漏監(jiān)測和定位的方 法，解決傳統(tǒng)的通過壓力傳感器測量負壓波進行管道泄漏監(jiān)測和定位方法存在的不足。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0006] 由材料力學(xué)可知，管道內(nèi)部壓力會使管道外壁產(chǎn)生環(huán)向變形，如公式（1)所示： Act,, / i、
[0007] A 扛.=-^-- vl) ^ E
[000引其中，A 為管道外壁環(huán)向應(yīng)變，0為管道泊松比，A o y為管道外壁環(huán)向應(yīng)力， A曰，為管道外壁軸向應(yīng)力，E為管道彈性模量。
[0009] 假定管道為無限長，則管道內(nèi)部壓力導(dǎo)致的管道外壁軸向應(yīng)變A 0 ,可忽略不計， 即A 〇z= 0 ;同時，由材料力學(xué)基本原理可知，AcTy=^^，其中Ap為管道內(nèi)部壓力，R為 管道內(nèi)徑，d為管道壁厚。將A 0 ,和A 0 y的值帶入公式（1)，可得到關(guān)系式；
[0010] As,=U) clE
[0011] 由公式似可知，A Ey與Ap成正比，因為負壓波在管道內(nèi)部由泄漏點開始向上 下游傳播導(dǎo)致所到位置處的管道內(nèi)部壓力降低，并且在泄漏發(fā)生的短時間內(nèi)t E、R為常 量，所W管道外壁環(huán)向應(yīng)變時程可W間接反映負壓波時程，基于該個原理，我們提出通過應(yīng) 變輸傳感器陣列測量管道外壁環(huán)向應(yīng)變，利用管道外壁環(huán)向應(yīng)變時程反映負壓波時程，進 而實現(xiàn)對管道泄漏的監(jiān)測。
[0012] 由于管道泄漏產(chǎn)生的負壓波的大小及其在管道內(nèi)傳播的衰減程度都與管道的工 況、長度、口徑和介質(zhì)物性等管道特性有關(guān)，因此管道特性決定了負壓波在管道上的可檢 測性，因此應(yīng)變輸傳感器的排列間距應(yīng)該根據(jù)負壓波的可檢測性，結(jié)合經(jīng)濟性的要求，通過 計算確定，定義該個通過計算得到的排列間距為設(shè)計間距。
[0013] 按照相同的設(shè)計間距在管道外壁安裝應(yīng)變輸傳感器，組成應(yīng)變輸傳感器陣列。通 過應(yīng)變輸傳感器陣列測量管道外壁環(huán)向應(yīng)變，通過管道外壁環(huán)向應(yīng)變時程反映負壓波時 程，當應(yīng)變輸傳感器陣列測量到負壓波信號時，則管道發(fā)生泄漏。
[0014] 當負壓波從泄漏點開始W-定的速度向管道的上下游傳播時，距離泄漏點越近的 應(yīng)變輸傳感器越先測量到負壓波信號。由于應(yīng)變輸傳感器是等間距排列的，所W泄漏點一 定位于最先測量到負壓波信號的兩個應(yīng)變輸傳感器之間。對比各個應(yīng)變輸傳感器測量到負 壓波信號的時間先后，將泄漏點定位于兩個最先測量到負壓波信號的應(yīng)變輸傳感器之間， 實現(xiàn)管道泄漏的粗略定位。
[0015] 把最先測量到負壓波信號的應(yīng)變輸傳感器設(shè)定為固定傳感器，W泄漏點為分界 點，將與固定傳感器相對應(yīng)的泄漏點另一側(cè)的各個應(yīng)變輸傳感器分別與固定傳感器編成 組，W固定傳感器至泄漏點的距離為待求量。因為編成組的兩個應(yīng)變輸傳感器至泄漏點的 距離不同，所W該兩個應(yīng)變輸傳感器測量到負壓波信號的時間存在時間差，由此建立方程： = ;由于應(yīng)變輸傳感器均按照設(shè)計間距排列，因此泄漏點到泄漏點兩側(cè)的應(yīng)變輸 V 傳感器的距離之和始終是設(shè)計間距的整數(shù)倍，由此建立方程Si巧二化。由兩組傳感器所建 立的四個方程聯(lián)立方程組，求解過程中消去負壓波波速該一未知量，計算出固定傳感器至 泄漏點的距離X。由于應(yīng)變輸傳感器陣列由多個應(yīng)變輸傳感器組成，因此可W建立多個方 程組并求出多個泄漏點位置的解，W多個泄漏點位置值的解的平均值作為最終的泄漏點位 置，實現(xiàn)管道泄漏的精確定位。其中：
[0016] X-泄漏點至所設(shè)定的固定傳感器的距離；
[0017] Si-指與固定傳感器編組的另一個應(yīng)變輸傳感器至泄漏點的距離；
[0018] V-負壓波傳播速度；
[0019] A t-兩個應(yīng)變輸傳感器測量到負壓波的時間差；
[0020] L-相鄰兩個應(yīng)變輸傳感器的設(shè)計間距；
[0021] n-編組的兩個應(yīng)變輸傳感器所包括的設(shè)計間距的個數(shù)。
[0022] 本發(fā)明的效果和益處是，該方法具有實時監(jiān)測、靈敏度高、對管道結(jié)構(gòu)無損的優(yōu) 點，解決了傳統(tǒng)負壓波定位方法必須利用負壓波波速進行定位計算從而導(dǎo)致泄漏定位精度 差的不足；基于該種應(yīng)變輸傳感器陣列的定位方法可W通過多組數(shù)據(jù)求平均值的方式計算 出泄漏點位置，能夠減小誤差，增加了泄漏定位的精度；另外應(yīng)變輸傳感器陣列由于測點 多，少量的傳感器失效并不會影響對泄漏的監(jiān)測和定位的精度，確保了該種泄漏監(jiān)測和定 位方法的可靠性。
【附圖說明】
[0023] 附圖1是管道泄漏監(jiān)測和定位方法流程圖。
[0024] 附圖2是【具體實施方式】中所描述的管道W及應(yīng)變輸傳感器陣列示意圖。
【具體實施方式】
[0025] W下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0026] 在本【具體實施方式】中虛擬了一段管道，基于該個管道詳細說明本發(fā)明的具體實施 方式。
[0027] 步驟1 ;在管道外壁W設(shè)計間距L安裝5個應(yīng)變輸傳感器，組成應(yīng)變輸傳感器陣 列，將應(yīng)變輸傳感器依次編號為1#、2#、3#、4#、5#，實時監(jiān)測管道外壁環(huán)向應(yīng)變的變化情況。 [002引步驟2 ;當應(yīng)變輸傳感器陣列監(jiān)測到負壓波時，則管道發(fā)生泄漏。
[0029] 步驟3 ;假設(shè)1#、2#、3#、4#、5#測量到負壓波出現(xiàn)的時間分別為tl、t2、t3、t4a5， 比較它們的先后順序，若有tl〉t2〉t3〉t4<巧且t3<t5,則泄漏點定位在3#和4#兩個應(yīng)變輸 傳感器之間。
[0030] 步驟4:4#最早測量到負壓波，所W把4#設(shè)為固定傳感器，并分別與泄漏點另一側(cè) 的1#、2#、3#編成組，分別為1#和4#、2#和4#、3#和4#。
[003U 步驟5 1#和4# W及2#和4#所列的方程組建方程組，對于1#和4#，A ti = 1#和4#之間的設(shè)計間距個數(shù)為3,所W n = 3,列方程= Afi，Si巧=3L ;對于 V 2#和4#，At2=t2-t4,2#和4#的之間的設(shè)計間距個數(shù)為2,所Wn = 2,列方程=心，， V S2巧二化。組成方程組：
[0032]
【主權(quán)項】
1. 一種用應(yīng)變箍傳感器陣列進行管道泄漏監(jiān)測和定位的方法，該方法利用應(yīng)變箍傳感 器陣列測量管道外壁環(huán)向應(yīng)變，通過管道外壁環(huán)向應(yīng)變時程反映管道泄漏產(chǎn)生的負壓波時 程，進而實現(xiàn)對管道泄漏的監(jiān)測；通過將固定傳感器與應(yīng)變箍傳感器陣列中的其他傳感器 編組，建立求解泄漏點位置的方程，通過聯(lián)立方程組，求解出泄漏點的位置，實現(xiàn)泄漏定位， 其特征在于： (a) 按照相同的設(shè)計間距在管道外壁安裝應(yīng)變箍傳感器，組成應(yīng)變箍傳感器陣列； (b) 通過應(yīng)變箍傳感器陣列測量管道外壁環(huán)向應(yīng)變，通過管道外壁環(huán)向應(yīng)變時程反映 負壓波時程，當應(yīng)變箍傳感器陣列測量到負壓波信號時，則管道發(fā)生泄漏； (c) 對比各個應(yīng)變箍傳感器測量到負壓波信號的時間先后，將泄漏點定位于兩個最先 測量到負壓波信號的應(yīng)變箍傳感器之間； (d) 把最先測量到負壓波信號的應(yīng)變箍傳感器設(shè)定為固定傳感器，以泄漏點為分界點， 將與固定傳感器相對應(yīng)的泄漏點另一側(cè)的各個應(yīng)變箍傳感器分別與固定傳感器編成組，以 固定傳感器至泄漏點的距離為待求量，利用編組的兩個應(yīng)變箍傳感器測量到負壓波信號存 在時間差的關(guān)系建立方程
利用泄漏點至兩側(cè)的應(yīng)變箍傳感器距離之和始終 是設(shè)計間距的整數(shù)倍這一關(guān)系，建立方程SJX = nL，由兩組傳感器所建立的四個方程聯(lián)立 方程組，求解過程中消去負壓波波速這一未知量，計算出固定傳感器至泄漏點的距離X，其 中X指泄漏點至所設(shè)定的固定傳感器的距離，S i指與固定傳感器編組的另一個應(yīng)變箍傳感 器至泄漏點的距離，V指負壓波傳播速度，At指兩個應(yīng)變箍傳感器測量到負壓波的時間 差，L指相鄰兩個應(yīng)變箍傳感器的設(shè)計間距，η指編組的兩個應(yīng)變箍傳感器所包括的設(shè)計間 距的個數(shù)。
【專利摘要】一種用應(yīng)變箍傳感器陣列進行管道泄漏監(jiān)測和定位的方法，屬于管道監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。其特征是通過應(yīng)變箍傳感器陣列測量泄漏產(chǎn)生的負壓波時程信號，進行泄漏監(jiān)測；通過應(yīng)變箍傳感器陣列測量到負壓波信號的時間差以及應(yīng)變箍傳感器的幾何間距列方程組，消去負壓波波速這一未知量，求解泄漏點位置，并且通過多組泄漏點位置求平均值的方法減小定位誤差。本發(fā)明的效果和益處是解決了傳統(tǒng)負壓波定位方法必須利用負壓波波速進行定位計算從而導(dǎo)致泄漏定位精度差的不足，具有可靠性高、對管道結(jié)構(gòu)無損、可以實現(xiàn)泄漏實時監(jiān)測的優(yōu)點。
【IPC分類】F17D5-02
【公開號】CN104534282
【申請?zhí)枴緾N201410668864
【發(fā)明人】任亮, 姜濤, 賈子光, 李宏男
【申請人】大連理工大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年11月20日